济钢1700热轧产线热卷箱控制系统及设计

摘 要：本文在综述相关文献的基础上，紧密结合济钢1700产线实际，系统阐述了热卷箱电气系统设计，主要对电气传动、自动化控制系统及监控系统进行了描述，给出了具有实践指导意义的热卷箱电气系统设计。

关键词：热卷箱；电气传动；自动化控制；HMI

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.024

1 概述

济钢1700热连轧生产线是鞍钢总承包的具有国内自主知识产权的平均月产超过22万吨，最高月产达23.5万吨，2012年通过中冶赛迪实施产线升级改造，新上热卷箱，提升薄板生产比例，解决精轧机组能力不足及生产稳定性问题。热卷箱电气系统设计成为系统升级改造的关键环节，本文结合系统机械、液压和工艺的要求，阐述热卷箱采用先进可靠的电气控制系统，其装备水平先进、成熟、可靠、完整，电气控制装备技术水平达到国内先进水平。

热卷箱项目包括热卷箱前辊道、入口侧导板、热卷箱本体、夹送辊后辊道、热卷箱液压站、润滑站等设备，热卷箱本体由卷取站和开卷站两部分组成。卷取站设备包括入口导槽、弯曲辊、弯曲辊辊缝调节装置、成形辊、一号托卷辊、稳定器；开卷站设备包括一号托卷辊、开卷臂、插入臂、保温侧导板、二号托卷辊、夹送辊和缓冲辊。热卷箱控制系统复杂，热卷箱在卷取时，其控制系统还涉及到粗轧机、延迟辊道和热卷箱入口侧导板的控制；热卷箱在开卷时，其控制系统涉及到剪前侧导板、剪前辊道、飞剪、除鳞箱和精轧机的控制。

2 电气传动系统设计

2.1 电源系统

整流变压器的进线电源采用三相三线制，电压等级为AC10KV；非调速动力电源、液压润滑泵站动力电源、控制电源采用三相四线制，电压等级为AC380V；计算机及PLC系统电源为单相，电压等级为AC220V并且带进线隔离。

2.2 传动装置

热卷箱电机变频装置采用公共整流器及公共直流母线加逆变器供电方式，公共整流器采用6脉波的带回馈的整流装置，逆变器采用PWM调制的IGBT电源变换器。热卷箱电机变频装置采用SIEMENS S120系列产品，采用整流回馈单元加逆变器供电方式，热卷箱调速传动电动机采用国产变频调速三相异步电动机。S120是西门子新推出的变频控制设备，有如下特点：

（1）S120 变频调速系统是SINAMICS系列中的最新一款高性能多电机传动装置，是采用DRIVE-CLiQ网络技术，集中进线整流，公共直流母线逆变的新一代多电机传动系统。

（2）SINAMICS S120 是西门子公司推出的全新的集V/F、矢量控制及伺服控制于一体的驱动控制系统，它不仅能控制普通的三相异步电动机，还能控制同步电机、扭矩电机及直线电机。

（3）一个控制单元可以控制多至4个矢量模式的传动，既安全可靠又节省费用，这允许数据直接在传动与传动之间进行交换。

（4）S120柜机根据是按照“分区” 的概念设计，具备高标准的运行可靠性。柜体设计充分考虑了EMC规范，并按气流导向和温度控制将柜体进行分区，简化维修。

（5）S120功率组合及扩展高度灵活，柜机有全部必须的接口和连接部件。即可在西门子工厂就连接就绪，也可在现场快速完成装配，从而最大程度减少安装和调试的费用和时间。

2.3 液压润滑泵电机控制

考虑到液压站泵用电机启动、制动不频繁，小于90KW采用MCC进线接触器直接启动和停止控制；大于等于90KW泵电机采用施耐德软启动器控制，其系统控制则通过GE90 30PLC实现。

3 自动化控制系统

3.1 热卷箱设备控制简述

热卷箱位于粗轧机与精轧机之间，通过将中间坯以带卷形式保存在热卷箱处，使带坯进入精轧机前头尾换位，可大幅降低温降速度和减少头尾温差，并减少生产线长度。热卷箱有直通和卷取两种工作模式。在直通模式下，热卷箱不使用，中间坯直接进入精轧机。在卷取模式下，从粗轧输出的中间坯经过热卷箱卷取，再进行开卷，实现头尾换位，再进入精轧机。

3.1.1 直通控制功能

在直通模式下，成形辊、托卷辊都预摆到直通位置，在粗轧机末道次咬钢后，热卷箱即跟随粗轧机速度；当带坯进入精轧机区域后，热卷箱速度跟随精轧机速度，从而保证热卷箱辊道与粗精轧机的速度匹配关系。

3.1.2 卷取控制功能

（1）速度控制。在卷取过程中，根据卷取的不同阶段，热卷箱速度主令值从粗轧机末道次速度，切换到穿带速度、卷取速度、尾部定位速度，直到尾部定位完成。

（2）弯曲辊辊缝控制。在进行卷取前，弯曲辊预摆到设定弯曲辊缝，并随着卷径增大，要不断打开弯曲辊辊缝，以保持良好卷形。

（3）三辊接触控制。随着带卷直径不断增大而降低1CR托卷辊，使得带卷外表面接触到成形辊，从而保持良好的卷形。

（4）卷径计算。在卷取过程中，对带钢进行位置跟踪，从而计算出钢卷卷径。

（5）带尾定位。当带坯尾部离开热卷箱入口侧导板时，热卷箱切换到尾部定位速度，进行尾部自动定位，使尾端定位于预先设定的停车位置，以便开卷刀插入。

（6）入口侧导板控。在带坯进入热卷箱区域时，入口侧导板进行短行程控制，以便带坯让开不规则的头尾，同时当带坯穿带后，对其进行对中。

（7）稳定器控制。在卷取过程中，稳定器对中间卷两边进行拍打，以保证卷取成功。

3.1.3 开卷控制功能

（1）开卷刀浮动压力控制。开卷刀在开卷前贴着中间卷外沿插入钢卷与带尾之间的间隙，以进行开卷。在开卷刀向下运动过程中，进行浮动压力控制，以便开卷刀能顺利插入。

（2）速度控制。在开卷时，热卷箱速度主令按开卷速度、精轧速度进行切换。

（3）夹送辊压力控制。开卷过程中，当带坯头部进入夹送辊后，夹送辊投入压力控制，使带钢顺利移送。

（4）主动无芯移送控制。为加快开卷节奏，可采用主动无芯移送方式，通过托卷辊、推卷辊动作，将钢卷从卷取区域移送到开卷区域。

（5）开尾销插入控制。当带卷还剩下数圈时，开尾销自动伸出，协助开卷，以避免带尾重叠进入夹送辊或精轧机。

（6）保温侧导板控制。在开卷时，保温导板进行头部短行程控制，以便带坯让开不规则的头部，同时对带坯进行对中，以方便其进入精轧机。

3.2 自动化系统网络

网络系统分三级网络构建，一级网络系统为内存映像网，实施高速通讯及控制。二级网络为以太网，搭建全线的以太网通讯平台，对服务器进行访问和数据交换。三级网络为DP网，通过DP网实现一级对传动系统一级传动系统之间的数据交换。

一级内存映像网，为环形网络结构，通过内存映射实现数据共享，主要是一级基础自动化之间的数据交换以及画面服务器与PLC之间的数据交换。

二级以太网，设计为冗余环网系统，每个控制网络采用100M全双工光纤网，一旦发生故障，网络可以在很短时间内回复。交换机采用赫思曼的交换机，赫思曼的交换机采用了成熟的HIPER-Ring技术和冗余藕合机制技术，是最适合于工业现场以太网双环冗余网络的交换机。

三级DP网，主要满足基础自动化系统与传动装置的数据交换，距离太远，需要在中间环节增加DP-coupler进行数据交换。

3.3 基础自动化构成及功能

本系统采用GEFANUC PAC RX7i对热卷箱进行自动控制，采用90-30对液压站进行控制，预留与过程自动化通讯的接口。

3.3.1 热卷箱控制器的控制功能（GE FANUC PACRX7i一台）

（1）热卷箱区域中间坯跟踪及设备顺序控制；

（2）卷取及开卷的自动与手动控制；

（3）热卷箱区域设备仿真控制；

（4）热卷箱区域设备速度、位置和压力标定及控制；

（5）弯曲辊辊缝、钢卷卷径、无芯移送控制功能；

（6）热卷箱卷取站和开卷站设备安全连锁控制；

（7）PLC与传动PROFIBUS网连接对数字传动装置及I/O控制。

3.3.2 液压润滑控制器的控制功能（GE90-30PLC一台）

（1）泵站启停控制；

（2）泵站报警及联锁控制；

（3）液压站工作泵、循环泵、加热器的启动、停止；

（4）液压站的压力、液位、温度控制及显示；

4 HMI系统及其功能

HMI监控系统主要功能有两个：一是设定功能，主要包括设定热卷箱传动系统的速度、超前率、穿带速度等；设定热卷箱液压系统的位置、压力等；设定热卷箱出入口侧导板开口度、调零等。二是显示功能，主要包括热卷箱带坯跟踪显示；热卷箱传动系统及液压传动系统速度、电流、位置、温度、压力显示；热卷箱传动系统、液压系统设备故障报警，液压润滑站运行状态显示等。

济钢1700热连轧系统热卷箱项目是一个改造项目，改造实施后热卷箱系统运行稳定，能够满足生产和工艺要求，薄规格产品比例明显提升，控制系统能够满足工艺指标要求，这一项目的改造实施具有实际指导意义。

参考文献：

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